A
F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R K E R A M I S C H E T E C H N O L O G I E N U N D S Y S T E M E I K T S
I N D U S T R I E L Ö S U N G E N
AKUSTISCHE DIAGNOSEFEHLERDETEKTION I SIGNALBEURTEILUNG I QUALITÄTSSICHERUNG
I N H A L T1 Überblick
2 Schadensdetektion
4 Gütebewertung
6 Verschleißmonitoring
8 Bio- und Sprachsignale
10 Leistungsangebot
11 Kooperationsmodelle
12 Künstliche Intelligenz
13 Glossar
1
1
Das Fraunhofer IKTS ist ein ausgewiesener Spezialist für
Systeme und Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung und
verfügt über langjährige Erfahrungen im Bereich der akusti-
schen Diagnose. Mit aktiven und passiven Verfahren werden
Betriebsstörungen oder Schäden an Komponenten detektiert.
Die akustische Diagnose umfasst die Qualitätsbewertung von
Bauteilen und Materialien, die Überwachung von Verschleiß-
teilen in Maschinen und Anlagen und die Schadensdetektion
an Bauteilen und Komponenten. Dabei können Produkte
unterschiedlichster Materialien (u. a. Eisen, Aluminium, Glas,
Faserverbundwerkstoffe, Papier) analysiert und bewertet wer-
den. Akustische Diagnose kann während und nach der Ferti-
gung sowie zur Zustandsüberwachung von Verschleißteilen
oder Bauteilen eingesetzt werden. Sie ist somit für viele Bran-
chen (Automobil- und Flugzeugindustrie und ihre Zulieferer,
Maschinen- und Anlagenbau, Papierindustrie, Lebensmittel-
industrie, Energiesektor etc.) geeignet. Auch bei nichttechni-
schen akustischen Signalen findet diese Technologie Anwen-
dung, beispielsweise zur Schädlingserkennung bei der Getrei-
delagerung und zur Realisierung einer vertrauenswürdigen
und betriebssicheren Sprachbedienung von Geräten im Indus-
trieeinsatz.
ZUHÖREN – ANALYSIEREN – QUALITÄT SICHERNMit wachsender Komplexität von Produkten sowie Fert igungs- und Betr iebsprozessen ste igt d ie Nach-
frage nach wirtschaft l ichen und zuver läss igen Ansätzen in Qual i tätss icherung, Wartung und Instand-
haltung. Verfahren der akust ischen Diagnose bieten hier e in beacht l iches Potenzia l , da bereits mit ge-
r ingem Aufwand Fehler detekt iert werden können. Defekte Komponenten sowie kr i t i sche Anlagen- und
Betr iebsprozesse haben spezie l le Geräuschmuster, d ie mit akust ischen Verfahren schnel l und präzise
erkannt werden können. Das Fraunhofer IKTS ste l l t in dieser Broschüre e ine Auswahl an le icht integr ier-
baren und kostengünst igen Lösungen der akust ischen Diagnose vor, d ie in Kombinat ion mit modernsten
Methoden der künst l ichen Inte l l igenz (KI ) entscheidende Optimierungspotenzia le ent lang des gesamten
Produkt lebenszyklus bieten.
Modernste Methoden der künstlichen Intelligenz (KI), wie
Mustererkennung und Maschinenlernen, bilden das Herzstück
heutiger und zukünftiger akustischer Diagnoseverfahren. Sie
erlauben selbst im Falle komplexer oder gestörter Schallsignale
deren Bedeutung in Echtzeit automatisch und zuverlässig zu
analysieren. Darüber hinaus kann der Grad der Beschädigung
oder eine Restlebensdauer bestimmt werden.
1
2
1
Schienenverkehr
Für den Schienenverkehr bietet das Fraunhofer IKTS eine ro-
buste und autark arbeitende Lösung, mit der Rad und Rad-
lager überwacht sowie blockierte Bremsen, defekte Federn
oder unzulässige Neigungen (z. B. durch Fehlbeladung) detek-
tiert werden können.
Grundlage für das Monitorung sind neben Beschleunigungs-
und Temperaturdaten auch die vom Rad-Schiene-Kontakt er-
zeugten Körperschallsignale. Diese Daten werden mit kunden-
individuell angepassten Sensorknoten, bestehend aus Modulen
für Sensorik sowie Signalverarbeitungs- und Funkprozessoren,
aufgenommen und ausgewertet. Eine Instrumentierung und
Betreuung von Versuchsfahrten runden das Angebot zu dieser
Monitoringlösung ab.
Für die Überwachung von ICE-Rädern bietet das Fraunhofer
IKTS ein Messsystem an, das dauerhaft in der Hohlwelle des
Radsatzes verbleibt. Hierbei ermöglicht die Verarbeitung von
Hochfrequenz-Körperschallsignalen, die durch den Rad-Schie-
ne-Kontakt erzeugt werden, sowohl eine Überwachung der
Räder als auch der Schiene auf Beschädigungen.
Der Prüfung von Bautei len und Komponenten
kommt besonders in den Bereichen Verkehr und
Umwelt e ine große Bedeutung zu.
Im Bahn- und F lugverkehr steht die S icherheit
der Passagiere an erster Ste l le . Fehler in der
Radlauff läche, wie z. B. Ausbröckelungen, sol len
frühzeit ig erkannt werden. Das erfordert e ine
permanente Überwachung von Rädern und Rad-
lagern im Schienenverkehr. Auch an F lugzeug-
konstrukt ionselementen, z. B. Rumpfschalen,
werden hohe Anforderungen geste l l t , da s ie
während des F luges durch E inschläge oder Ermü-
dung beschädigt werden können.
Im Bereich der erneuerbaren Energien s ind
Windenergieanlagen besonderen Belastungen
ausgesetzt. Die äußeren Einwirkungen auf die
Rotorblätter, wie mechanischer Abr ieb, k l imat i -
sche Ere ignisse und laufende Lastwechsel , füh-
ren im langjähr igen Betr ieb zu Verschle iß und
Alterung. Ebenso können produkt ionsbedingte
Fehlste l len den Betr ieb e iner solchen Anlage
nachhalt ig stören oder gar unmögl ich machen.
Je eher solche Schädigungen oder Verschle iß-
effekte ermitte l t werden, umso besser s ind die
Reparaturmögl ichkeiten bzw. die Chancen, Fol-
geschäden vorzubeugen oder gar Katastrophen
zu vermeiden.
SCHADENSDETEKTION
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
a HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
PASSIV
1 BIS 8 KÖRPERSCHALLSENSOREN
3
2
Flugzeugstrukturen
Flugzeugentwickler setzen auf Leichtbaumaterialien für ein
geringeres Flugzeuggewicht. Die eingesetzten Kohlefaser-
Verbundwerkstoffe (CFK) stellen jedoch besondere Anforde-
rungen an Verarbeitung, Qualitätskontrolle und Inspektion.
Aus Gründen der Sicherheit ist es wegen der hohen Beanspru-
chungen im Flugverkehr unabdingbar, Risse und Einschläge so
früh wie möglich zu erkennen. Mit Hilfe aktiver und passiver
Ultraschalldiagnose können Beschädigungen sowohl frühzeitig
erkannt als auch auf ihre Schwere hin automatisch einge-
schätzt werden.
Die Prüfung und Überwachung der eingesetzten Materialien,
wie die strukturelle Integrität von Flugzeug-Rumpfschalen,
erfolgt derzeit noch in Belastungstests am Boden. Diese Über-
wachung soll in Zukunft auch während des Einsatzes in der
Luft stattfinden.
Rotorblätter
Ein integrierbares System zur Überwachung der Rotorblätter
von Windenergieanlagen ermöglicht eine zustandsabhängige
Instandhaltung der Bauteile. Zur Detektion von Schäden, wie
Strukturschäden, Eisansatz und aerodynamischen Unwuchten
oder Blitzeinschlägen, kommt das passive Verfahren der Schall-
emissionsprüfung (Acoustic Emission Testing) zum Einsatz.
Bei diesem Verfahren werden spezielle Ultraschallwellen ge-
nutzt, die durch Belastungen in der Struktur entstehen (Schall-
emissionen). Diese werden von piezoelektrischen Sensoren
detektiert. Die Häufung und die Verteilung der georteten
Schallemissionsereignisse bilden den aktuellen Schädigungs-
prozess ab. Da aus Blitzschutzgründen in Windenergieanlagen
keine metallischen Leiter in das Rotorblatt eingebracht werden
dürfen, wurde eine optische Energie- und Datenübertragung
realisiert.
Das IKTS-System ermöglicht so die Einschätzung des Bauteil-
zustands bis zur nächsten Inspektion und optimiert damit die
Planung von Serviceeinsätzen.
3
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
a HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
AKTIV
8 BIS 12 ULTRASCHALLAKTUATOREN/-SENSOREN
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
a HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
PASSIV
4 BIS 12 PIEZOSENSOREN
4
1
Mehr a ls nur »gut« oder »schlecht« – Die Güte-
bewertung von Bautei len oder Erzeugnissen, vor
a l lem während der Produkt ion und direkt nach
der Herste l lung, ist e in zentra ler Baustein in der
Qual i tätss icherung. In den meisten Fäl len ist
e ine 100-Prozent-Kontrol le Voraussetzung für
die Abnahme produzierter Tei le.
Das Z ie l i s t , bei e iner automatis ierten Prüfung
al le schlechten Tei le, dabei jedoch mögl ichst we-
nige oder keine Bautei le, d ie fehler los s ind oder
»noch« als gut bewertet werden, auszusort ieren.
Was le icht k l ingt, i s t e ine anspruchsvol le Aufga-
be, da unterschiedl ichste Fehlerarten auftreten
können. Al le in bei der Zahnradprüfung re icht die
Spanne mögl icher Fehler von Außen- und Steg-
r issen unterschiedl icher Größe über an- und ab-
gebrochene Zähne, Lunker und Einschlüsse bis
h in zu Fehlste l len. E in funkt ionierendes Prüfsys-
tem muss a l l d iese Fehler erkennen.
Güte spie l t auch in v ie len Bereichen des tägl i -
chen Lebens e ine große Rol le: Zum Beispie l bei
der Verwendung von T issueprodukten, deren
Weichheit e in entscheidendes Kr i ter ium für die
Akzeptanz beim Kunden ist . Ob etwas a ls weich
empfunden wird, i s t jedoch subjekt iv. Das Fraun-
hofer IKTS hat e in System entwickelt , mit dem
die Weichheit instrumentel l best immt und damit
automatisch nachvol lz iehbar wird.
GÜTEBEWERTUNG
Zahnräder
Für eine Gütebewertung von Zahnrädern und anderen sinter-
metallurgischen Bauelementen ist eine automatisierte Klassifi-
kation sinnvoll, die zuverlässig und reproduzierbar arbeitet.
Das Fraunhofer IKTS hat ein System zur Zahnradprüfung ent-
wickelt, das auf der Methode der Klanganalyse basiert. Die
Klanganalyse ist als schnelles und kostengünstiges Verfahren
hervorragend für eine Prüfung in der Massenfertigung geeignet.
Die Bauteile werden dabei definiert gelagert. Eine angepasste
Sensorik regt den Prüfling an und versetzt ihn in Schwingung.
In Kombination mit Methoden der KI werden Muster aus dem
aufgenommenen Signal gefiltert. Nach einer Anlernphase er-
folgt die automatisierte Signalauswertung und damit die Un-
terscheidung in »Gutteile« und »Schlechtteile«. Das System
wurde speziell für den Einsatz in rauer industrieller Umgebung
entwickelt und ist zur Einbindung in bestehende Messstrecken
geeignet.
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
AKTIV
3 ULTRASCHALLAKTUATOREN/-SENSOREN
5
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
AKTIV
1 BIS 4 SENSOREN/MIKROFONE
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
AKTIV
3 ULTRASCHALLAKTUATOREN/-SENSOREN ODER MIKROFONE
Tissueprodukte
Zu den Tissueprodukten gehören alle Erzeugnisse, bei denen
Weichheit ein wichtiges Verkaufsargument ist, z. B. Papier-
taschentücher, Kosmetiktücher oder Toilettenpapier. Um die
subjektiv empfundene Weichheit zu kategorisieren, werden
bisher geschulte Testpersonen eingesetzt (Paneltest).
Zur Bestimmung des Weichheitsgrads hat das Fraunhofer IKTS
einen neuen Ansatz entwickelt, der auf der Auswertung des
Reißgeräuschs basiert. Auf dessen Grundlage kann eine unbe-
kannte Probe bekannten Klassen (»weich«, »mittel«, »hart«),
die in Paneltests gebildet wurden, zugeordnet werden.
Das Ergebnis kann den Hersteller der Tissueprodukte in jeder
Phase des Produktionsprozesses unterstützen, indem neben
einer kontinuierlichen Qualitätskontrolle auch ein gezielter
Einsatz chemischer Additive zur Beeinflussung der Weichheit
möglich ist.
Hohlkörper
Für die Klein-, Mittel- und Großserienfertigung von Hohlkör-
pern, wie von Bechern oder Röhrchen, bietet das Fraunhofer
IKTS ein neues, automatisiertes Prüfverfahren an. Dieses
basiert auf der Klanganalyse und ist für Prüflinge aus unter-
schiedlichsten Materialien, wie Metall oder Keramik, geeignet.
Für die Prüfung werden die Teile in einer geeigneten Art und
Weise gelagert, im Anschluss automatisiert angeregt und so
in Schwingung versetzt. Eine an die Prüfaufgabe angepasste
Sensorik bzw. Mikrofontechnik zeichnet die Reaktion auf das
Anregungssignal auf. Daraus wird automatisch eine Gut/
Schlecht-Bewertung abgeleitet.
1 Keramische Hohlkörper für
stationäre Batterien.
1
6
1
Bewegl iche Tei le in Maschinen und Anlagen s ind
hohen Beanspruchungen ausgesetzt . E in Ausfal l
kann zu St i l l s tandszeiten, Reparaturkosten und
Produkt ionsver lusten führen.
Damit kommt der Früherkennung von Defekten
an Verschle ißte i len, wie Walzen, Lagern, Vent i -
len und Zahnrädern, e ine große wirtschaft l iche
Bedeutung zu. Hinzu kommt, dass besonders in
s icherheitsre levanten Bereichen, wie Chemie-
anlagen, e in Ausfal l solcher Tei le verheerende
Folgen haben kann, wenn etwa F lüss igkeit unge-
hindert weiterf l ießt, wei l Vent i le n icht mehr ord-
nungsgemäß schl ießen. Hier i s t es wicht ig, d ie
Tei le vor e inem drohenden Ausfal l zu ersetzen.
Die Bewertung, ob ein Bautei l gut oder schlecht
ist , genügt dabei n icht. Die vom Fraunhofer IKTS
entwickelten Lösungen des Verschle ißmonito-
r ings bieten e inen neuen Ansatz: Mit Hi lfe von
Lebensdaueranalysen kann die Rest lebensdauer
e ines Bautei ls ermitte l t werden. Diese tr iff t e ine
Aussage darüber, wann das betreffende Tei l aus-
getauscht werden muss.
VERSCHLEISSMONITORING
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
a HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
PASSIV
1 BIS 4 KÖRPERSCHALLSENSOREN
Walzen
Walzen in Spinnmaschinen, wie sie in der Textilindustrie zum
Einsatz kommen, unterliegen einer hohen Abnutzung. Ver-
stärkt treten hier mechanische Fehler, wie Risse, Reibstellen
oder Ausbrüche, auf.
Modernste Methoden der akustischen Diagnose helfen, den
bevorstehenden Ausfall von Walzen oder anderen Maschinen-
teilen zu erkennen. Grundlage sind typische Signaturen im
Schwingungsspektrum des jeweiligen Arbeitsorgans, die durch
mechanische Fehler erzeugt werden und durch Analysen im
Zeit-Frequenz-Bereich feststellbar sind.
Die vom Fraunhofer IKTS entwickelte Methode wertet diese
Signaturen aus. Ein bevorstehender Ausfall kann damit früh-
zeitig detektiert und entsprechende Maßnahmen können ein-
geleitet werden.
7
2
Ventile
Mechanische Veränderungen, die mit fortschreitender Lebens-
dauer und aufgrund der Abnutzung entstehen, wirken sich
auf die Schaltgeräusche von Ventilen aus. Die Geräusche be-
sitzen eine ausgeprägte spektrale und zeitliche Struktur und
bilden eine gute Basis für eine Zustandsüberwachung.
Verfahren der Mustererkennung sind daher hervorragend ge-
eignet, diese Geräusche zu klassifizieren. Aus der Kenntnis des
Verhaltens für verschiedene Lebenszeiten bekannter Ventile
kann das tatsächliche Lebensalter unbekannter Ventile ermit-
telt werden. Dadurch ist es möglich, einen bevorstehenden
Ausfall zu erkennen. Andererseits kann auch ein unnötiger
Austausch ordnungsgemäß arbeitender Ventile vermieden
werden, was zur Senkung von Instandhaltungskosten führt.
Hydraulische Prüfstände
Bisher ist es notwendig, hydraulische Prüfstände regelmäßigen
Wartungen zu unterziehen, auch wenn sich noch kein Fehler
in der Anlage abzeichnet. Um dies zu umgehen, hat das
Fraunhofer IKTS ein System entwickelt, das eine kostensparen-
de, zustandsabhängige Wartung ermöglicht.
Im Mittelpunkt der Monitoring-Strategie, die über Körper-
schallsensoren realisiert wird, stehen besonders verschleiß-
gefährdete hydraulische Komponenten (z. B. Servoventile).
Durch den Ölstrom werden akustische Signale in einem sehr
breiten Frequenzspektrum erzeugt, welche die hydraulischen
Prozesse charakterisieren. Änderungen des Zustands durch-
strömter Komponenten führen zu variierenden Signaleigen-
schaften. Aus den Hüllkurven der Zeitsignale sowie dem
Amplitudenspektrum der Signale können Merkmale extrahiert
werden, die für die Zustandsüberwachung der Komponenten
geeignet sind. So lassen sich Aussagen zur Notwendigkeit von
Instandhaltungsmaßnahmen treffen.
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
a HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
PASSIV
2 BIS 4 KÖRPERSCHALLSENSOREN, ERWEITERBAR
2
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
a HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
PASSIV
1 BIS 4 SENSOREN
8
1
Akust ische Diagnoseverfahren s ind auch hervor-
ragend für nichttechnische S ignale, unter ande-
rem Bios ignale, Sprache oder Musik, e insetzbar.
Schädl inge, wie Käfer, erzeugen Fress- und
Krabbelgeräusche. Damit is t ihr Vorkommen in
Lagerhal len oder Getre ides i los nachweisbar. Da
Schädl inge sehr große Mengen an Lebensmitte l -
und Getre idevorräten vernichten können, ist d ie
permanente Überwachung von Si los s innvol l .
E ine weitere hi lf re iche Anwendung der akust i -
schen Mustererkennung, wenn auch nicht zu
Diagnosezwecken, ist d ie Sprachbedienung von
Geräten im Industr ieeinsatz. Das System unter-
stützt Kunden, die e in Prüfgerät nicht se lbst
manuel l steuern können, z. B. Prüf ingenieure im
Einsatz. Das Fraunhofer IKTS bietet dafür e ine
vertrauenswürdige und betr iebss ichere Lösung.
BIO- UND SPRACHSIGNALE
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
a HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
PASSIV
1 BIS 20 SENSOREN
Schädlingsdetektion in Getreidesilos
Gesundes, handelsfähiges Getreide ist in der heutigen Zeit
selbstverständlich. Überall dort, wo Getreide gelagert und ver-
arbeitet wird, können Vorratsschädlinge auftreten. Weltweit
zerstören Getreideplattkäfer, Dörrobstmotten, Reismehlkäfer,
Kornkäfer, Getreidekapuziner und andere bis zu 15 Prozent
der Getreideernte. Gründe dafür sind Restpopulationen im
Silo, nicht hermetisch dichte Lager oder Einträge vom Feld
bzw. von Zulieferern. Eine permanente Überwachung der Vor-
ratsbehälter kann helfen, Schädlinge bereits früh, möglichst im
Larvenstadium, zu erkennen.
Am Markt gibt es viele Verfahren zur Schädlingsdetektion
(Pheromonfallen, Temperaturmonitoring etc.), die jedoch oft
zu ungenau sind. Das Fraunhofer IKTS nutzt KI-basierte Me-
thoden, um Schädlinge auf Grund ihres emittierten Schalls zu
detektieren. Die für Getreidelager und Transportsysteme an-
gepassten Lösungen treffen dabei Aussagen zum Umfang des
Schädlingsbefalls, der Schädlingsart und dem Entwicklungs-
stadium der Schädlinge (z. B. Larve/Käfer).
9
12
Verbale Systemsteuerung
Moderne Mess- und Prüfgeräte besitzen eine Vielzahl von Ein-
stellungs- und Programmiermöglichkeiten. Bei der praktischen
Arbeit ist eine manuelle Bedienung jedoch oft schwierig (Viel-
zahl von Menüs und Untermenüs) oder unmöglich (Hände bei
der Prüftätigkeit nicht frei oder verschmutzt). Der Einsatz von
Spracherkennungs- und Sprachsynthesetechnologie bietet ein
enormes Potenzial für die Effektivierung von Prozessabläufen.
Sprachtechnologien sind inzwischen so weit fortgeschritten,
dass eine natürlichsprachliche Mensch-Maschine-Kommunika-
tion problemlos möglich ist. Kommerziell verfügbare Lösungen
übertragen allerdings in der Regel die Nutzerspracheingaben
an Server eines Drittanbieters. Das kann einerseits die Daten-
sicherheit kompromittieren, da vertrauliche Informationen an
Dritte übertragen, dort möglicherweise dauerhaft gespeichert
und ggf. weiterverwertet werden. Andererseits kann die
Betriebssicherheit gestört werden, da die angebotenen Lösun-
gen auf Funknetzwerkverbindungen angewiesen sind. Für den
Einsatz in Prüfgeräten sind diese Lösungen daher nicht emp-
fehlenswert.
Das Fraunhofer IKTS bietet ein vertrauenswürdiges und
betriebssicheres hardwarebasiertes Sprachdialogsystem zur
Benutzerinteraktion mit Prüfgeräten an, welches die Ein- und
Ausgabe fließender Sprache erlaubt. Das Dialogsystem kann
in das vorhandene Prüfgerät integriert oder über eine USB-
Schnittstelle angeschlossen werden und unterstützt kabel-
gebundene oder Bluetooth-Headsets. Damit ist der Benutzer
in der Lage, berührungslos (»hands and eyes free«) mit dem
Prüfgerät zu kommunizieren.
Quittungstöne (»Earcons«) dienen der Bestätigung von Vor-
gängen. Die Verlagerung rechenintensiver Algorithmen in
Hardware ermöglicht eine Miniaturisierung des Systems. Für
PC-basierte Mess- und Prüfgeräte, die über ausreichend Reser-
ve an Rechenleistung verfügen, steht auch eine reine Soft-
warelösung zur Verfügung.
Besonderer Wert wurde bei der Entwicklung auf Vertrauens-
würdigkeit gelegt. So erfolgt keine Datenübertragung an
externe Server. Es sind weder ein permanentes Handy- oder
Funknetz noch eine Internetanbindung notwendig. Eine
etwaige Übertragung sensibler oder privater Daten ist ausge-
schlossen. Das System ermöglicht im Gegensatz zur Sprach-
erkennung auf Mobiltelefonen bereits eine Steuerung von
Geräten. Eine zusätzliche Sprachsynthese erlaubt Rückfragen
und Bestätigungen für eine umfassende Kommunikation zwi-
schen Anwender und System.
1 Miniaturisierte Module des
IKTS-Sprachdialogsystems.
LEISTUNGSANGEBOT
a ERKENNERSOFTWARE
a HARDWARE
a TRAININGSSOFTWARE
a KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG
MESSPRINZIP
NICHT ZUTREFFEND
1 MIKROFON/HEADSET
10
Das Fraunhofer IKTS kann auf dem Gebiet der
akust ischen Diagnose e in langjähr iges Know-
how vorweisen. Mit neuen Ansätzen, die auf
modernsten Methoden der künst l ichen Inte l l i -
genz bas ieren, werden Analysen und Bewertun-
gen von technischen und nichttechnischen Sig-
nalen real is iert . Indiv iduel le Leistungsangebote
bieten jedem Interessenten die Opt ion, das pas-
sende Angebot für effekt ive Qual i tätskontrol len
oder Zustandsüberwachungen zu wählen.
1
Kundenspezifische Entwicklungen
Das Fraunhofer IKTS bietet kundenspezifische Systemlösungen
aus einer Hand an. Auf Basis von Kundenanforderungen wird
ein Konzept für ein System (bestehend aus Sensorik, Elektro-
nik, Hard- und Software) erarbeitet und am IKTS umgesetzt.
Die Systeme können in Messstrecken eingebaut werden und
als inlinefähige Prüfsysteme fungieren.
Weitere Angebote
- Machbarkeitsstudien
- Wissenschaftliche Beratungen
- Datenanalyse und -auswertungen
- Entwicklung kundenspezifischer Software
- Entwicklung eingebetteter Mustererkennungssysteme/Syste-
me zur intelligenten Signalverarbeitung
- Entwicklung von Gesamtsystemen (vom Sensor bis zur Klas-
sifikation)
- FuE-Kooperationsprojekte mit Unternehmen und For-
schungseinrichtungen
Erkennersoftware
Die Erkennersoftware ist ein unter Windows oder Linux lauf-
fähiges Programm, das zur Mustererkennung eingesetzt wird.
Es ordnet aufgezeichnete Signale von Prüfobjekten automa-
tisch Klassen (z. B. gut/fehlerhaft, neu/verschlissen/defekt) zu
oder schätzt eine Prüfgröße (z. B. Restlebensdauer, Material-
eigenschaften) ein. Außerdem ist eine Bewertung zeitlich auf-
einanderfolgender Signalereignisse (z. B. Schaltgeräusche,
Sprache) möglich.
Hardwaremodule
Hardwaremodule ermöglichen variable, mobile Messungen
und sind hervorragend für Prüfaufgaben geeignet, welche
nicht stationär durchgeführt werden. Sie bieten den gleichen
Leistungsumfang wie die Erkennersoftware und sind auch für
eine portable Datenerfassung geeignet.
Trainingssoftware
Die Trainingssoftware ermöglicht es dem Kunden, neue Mo-
delle (andere Serien des gleichen Bauteils mit anderen Eigen-
schaften, neue Bauteiltypen) selbstständig anzulernen und die
Erkennersoftware damit anzupassen.
LEISTUNGSANGEBOT
11
Innovat ion und Entwicklung s ind Bausteine für
e ine erfolgsversprechende Unternehmenszu-
kunft . Um Wettbewerbsvorte i le zu gener ieren,
b ietet Fraunhofer maßgeschneiderte Kooperat i -
onsmögl ichkeiten für die bestmögl iche Form der
Zusammenarbeit für k le in- und mitte lständische
Unternehmen. Damit können Entwicklungskom-
petenzen vom Kunden kurzfr ist ig und bedarfs-
or ient iert abgerufen und genutzt werden.
KOOPERATIONSMODELLE
Einzelaufträge
Der klassische Fall einer Kooperation ist der Einzelauftrag. Das
Unternehmen sieht einen Forschungs- oder Entwicklungsbe-
darf. Das Fraunhofer IKTS entwickelt entsprechend der Anfor-
derungen des Unternehmens eine termin- und qualitätsge-
rechte Lösung.
Verbundprojekte
Manche Problemstellungen sind so komplex, dass mehrere
Partner die Lösung entwickeln müssen. Dann steht das
gesamte Umfeld der Fraunhofer-Institute zur Verfügung. Auch
externe Partner können hinzugezogen werden.
Strategische Partnerschaften und Innovationscluster
Aus Vorlaufforschung, die zunächst unabhängig von Aufträ-
gen erfolgt, ergeben sich häufig lang andauernde Partner-
schaften mit Unternehmen auf regionaler und internationaler
Ebene.
Ausgründungen
Fraunhofer-Mitarbeiter machen sich oft mit einer Neuentwick-
lung selbstständig, an der sich die Fraunhofer-Gesellschaft
beteiligen kann. Im Einzelfall sind sogar strategische Beteili-
gungen und Joint Ventures möglich. Auch die Auftraggeber
einer neuen Entwicklung können Teilhaber des Spin-off-Unter-
nehmens werden.
Lizensierungsmodelle
Lizenzen räumen Dritten ein Nutzungsrecht an gewerblichen
Schutzrechten unter definierten Bedingungen ein. Damit kön-
nen Innovationen genutzt werden, wenn die eigene Weiter-
entwicklung zu hohe Kosten verursachen würde, die Kapazitä-
ten zur Markteinführung nicht ausreichen oder die Innovation
nicht in das bestehende Leistungsprogramm passen würde.
Das Fraunhofer IKTS bietet flexible Lizenzmodelle an, die zum
unternehmensweiten Einsatz, zur Optimierung des eigenen
Angebots oder der Vermarktung an Endkunden genutzt wer-
den können.
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Von jeher haben Mess- und Prüfgeräte nicht nur
das Z ie l , Daten und Werte, sondern auch deren
Interpretat ion und Bedeutung anzuzeigen. Im
Zuge von Industr ie 4.0 entstehen immer v ie lfä l t i -
gere und komplexere Prüfaufgaben. Durch neue
Messverfahren und unterschiedl ichste Sensoren
fa l len immer größere Datenmengen an, die oft
n icht le icht interpret ierbar s ind. Künst l iche Inte l -
l igenz (KI ) i s t in der Lage, komplexen Messwer-
ten e ine Bedeutung zuzuordnen und Gesamts i tu-
at ionen einzuschätzen.
Sensorsignale mit bekannterBedeutung (Lernstichprobe)
Sensorsignale mit unbekannter Bedeutung
z. B. Gut
z. B. Schlecht
Primäranalyse Sekundäranalyse
Bedeutung der Sensorsignale
SIGNALANALYSE
Primäranalyse Sekundäranalyse
SIGNALANALYSE KÜNSTLICHE INTELLIGENZ
Maschinenlernen
Mustererkennung
MODELLE
KÜNSTLICHE INTELLIGENZ
Das IKTS bietet ein umfangreiches Leistungsspektrum an mo-
dernsten Methoden der künstlichen Intelligenz zur automati-
schen Bewertung technischer und nichttechnischer Prozesse.
Mit Hilfe von Verfahren zur Signalanalyse, Musterkennung und
zum Maschinenlernen können Sensorsignale automatisch inter-
pretiert und in deren Bedeutung erkannt werden, z. B. »Prüfling
gut« oder »Bauteil besitzt noch 20 Prozent Restlebensdauer«.
Im Zeitalter von Industrie 4.0 übernimmt der Mensch nicht mehr
die Aufgabe, Messgeräteanzeigen zu interpretieren. Vielmehr
interagiert er mit KI-Systemen und überwacht diese. KI-basierte
Mess- und Prüfsysteme erlernen vor der Inbetriebnahme aus Bei-
spielen den prinzipiellen Zusammenhang zwischen Sensorsigna-
len und deren Bedeutung für ihre individuelle Prüfaufgabe. Spä-
ter können sie vom Menschen »belehrt« und korrigiert werden
und sich damit im laufenden Betrieb selbst anpassen und ver-
bessern. Diese Technologie ist wesentlich flexibler und leistungs-
fähiger als traditionelle Prüfverfahren. Neben den eigentlichen
KI-Komponenten nutzt das IKTS bewährte Signalanalysetechno-
logie. Die Primäranalyse basiert im Wesentlichen auf Verfahren
der Signalverarbeitung, u. a. Zeit-Frequenz-Transformationen
(STFT, Wavelettransformation etc.), Digitalfilter und Filterbänke,
Signalmodellierung (z. B. mit Optimalfiltern) und KI-basierte Sig-
nalanalyse (z. B. CNNs). Die Sekundäranalyse hat die Aufgabe,
die für die Mustererkennung relevanten Informationen aus den
Primärmerkmalen zu extrahieren, z. B. durch Hauptkomponen-
tenanalyse (PCA) oder lineare Diskriminanzanalyse (LDA).
Die Mustererkennung basiert z. B. auf tiefen neuronalen Netzen
(DNN), Gaussian-Mixture-Modellen (GMM), Hidden-Markov-
Modellen (HMM) oder Supportvektormaschinen (SVM) und
schließt auch die Interpretation der Erkennungsergebnisse ein.
Die hierfür notwendigen Klassenmodelle werden durch spezielle
Maschinenlernverfahren, beispielsweise Deep Learning (DNN),
EM-Algorithmus (GMM, HMM) und konvexe Optimierung
(SVM), gebildet. Dazu werden dem System in einer Anlernphase
Sensorsignale mit bekannter Bedeutung (z. B. »Prüfling ist gut«,
»Prüfling ist schlecht«), auch Lernstichprobe genannt, zuge-
führt. Modelle können bei Bedarf später während des Betriebs
weitergelernt (adaptiert) werden, um das KI-System zu verbes-
sern oder an veränderte Aufgaben anzupassen. In bestimmten
Konfigurationen tiefer neuronaler Netze übernimmt der Muster-
erkenner die Aufgabe der Sekundäranalyse, teilweise auch der
Primäranalyse, mit.
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GLOSSAR
Deep Learning
b Maschinenlernverfahren für tiefe neuronale Netze
Deep Neural Network (DNN)
Künstliches neuronales Netz mit vielen versteckten Schichten,
b Mustererkenner für b Merkmalvektor(folg)en
EM-Algorithmus
b Maschinenlernverfahren für b Gaussian-Mixture-Modelle
und b Hidden-Markov-Modelle
Folgenklassifikator
b Mustererkenner für eine Folge von b Merkmalvektoren
Gaussian-Mixture-Modell (GMM)
Statistisches b Modell zur b Mustererkennung in b Merkmal-
vektoren basierend auf Gaußschen Mischverteilungsdichten
Hidden-Markov-Modell (HMM)
Statistisches b Modell zur b Mustererkennung in b Merkmal-
vektorfolgen basierend auf einem Markov-Prozess, z. B.
GMM-HMM, DNN-HMM
Klassifikationsverfahren
Siehe b Mustererkennung
Maschinenlernen
Automatische Verfahren zur Bildung von b Modellen für
b Mustererkennung und Entscheidungsprozesse
Modell
Hier: rechentechnische Repräsentation von Wissen
Merkmalanalyse
Verfahren zur Berechnung von b Merkmalvektor(folg)en aus
Messsignalen
Merkmalvektor(folge)
Satz von b klassifikationsrelevanten numerischen Parametern,
ggf. als zeitliche Folge
Mustererkennung
Verfahren zur Unterscheidung in vorgegebenen Klassen, z. B.
basierend auf b DNN, b GMM, b HMM, b SVM
Primäranalyse
Erster Schritt der b Merkmalanalyse (Signalverarbeitung, z. B.
Filterbänke, FFT, STFT, DWT, Cepstrum, LPC, Wigner-Ville-Ver-
teilung etc.)
Sekundäranalyse
Zweiter Schritt der b Merkmalanalyse (Statistik, Datenkom-
pression, z. B. Quantile, Momente, Differenzen, Filterung,
PCA, LDA, ICA, JFA etc.)
Semantikverarbeitung
Rechentechnische Verarbeitung von Bedeutung (z. B. von
Messsignalen)
Signalanalyse
Siehe b Primäranalyse
Supportvektormaschine (SVM)
b Mustererkenner für b Merkmalvektoren
Trainingsverfahren
Siehe b Maschinenlernen
Vektorklassifikator
b Mustererkenner für einen b Merkmalvektor
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KONTAKTFraunhofer-Institut für Keramische Technologien und
Systeme IKTS, Institutsteil Materialdiagnostik
Maria-Reiche-Straße 2, 01109 Dresden
www.ikts.fraunhofer.de
Dr. Jörg Opitz
Tel. +49 351 88815-516
KURZPORTRÄT DES FRAUNHOFER IKTS
Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS betreibt
anwendungsorientierte Forschung für Hochleistungskeramik. Die drei Instituts-
teile in Dresden und Hermsdorf (Thüringen) formen gemeinsam das größte
Keramikforschungsinstitut Europas.
Als Forschungs- und Technologiedienstleister entwickelt das Fraunhofer IKTS
moderne keramische Hochleistungswerkstoffe, industrierelevante Herstellungs-
verfahren sowie prototypische Bauteile und Systeme in vollständigen Fertigungs-
linien bis in den Pilotmaßstab. Darüber hinaus umfasst das Forschungsportfolio
die Kompetenzen Werkstoffdiagnose und -prüfung. Die Prüfverfahren aus den
Bereichen Akustik, Elektromagnetik, Optik, Mikroskopie und Strahltechnik tragen
maßgeblich zur Qualitätssicherung von Produkten und Anlagen bei.
Das Fraunhofer IKTS arbeitet in acht marktorientierten Geschäftsfeldern, um
keramische Technologien und Komponenten sowie zerstörungsfreie Prüfverfahren
für neue Branchen, Produktideen und Märkte jenseits der klassischen Einsatz-
gebiete zu demonstrieren und zu qualifizieren. Dazu gehören keramische Werk-
stoffe und Verfahren, Maschinenbau und Fahrzeugtechnik, Elektronik und Mikro-
systeme, Energie, Umwelt- und Verfahrenstechnik, Bio- und Medizintechnik,
Optik sowie die Material- und Prozessanalyse.
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Akustische Diagnose
Dr.-Ing. Dipl.-Inf.
Constanze Tschöpe
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